ie296_arcioni_gimenez_sistemas_de_proteccion_contra_rayos

Vista previa del material en texto

86 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
Nota técnica
Los sistemas de protección 
contra rayos (SPCR) en la normativa 
técnica argentina e internacional: 
el método de la “esfera rodante”
Una presentación de los SPCR y del método de la esfera rodante para estudiar 
y poder aplicarlo a los sistemas de protección contra los rayos según las normas argentinas 
e internacionales
Por Ing. Juan Carlos Arcioni, IRAM, e Ing. Jorge Francisco Giménez, CITEDEF
1. Introducción
1.1 Términos y sus definicio-
nes para la introducción de nues-
tra nota técnica
A continuación presentamos las 
definiciones que proponemos para 
los cuatro términos siguientes:
1.1.1 Sistema [4]:
1.1.1.1 Sistema inmaterial (no 
material), con cinco ejemplos [4].
Definición: conjunto de reglas 
o de principios sobre una materia, 
racionalmente enlazados entre sí. 
(Nota: Materia: tema, asunto, cues-
tión.) Ejemplos:
 - Sistema acusatorio (en derecho).
 - Sistema inquisitivo (en derecho).
 - Sistema métrico decimal (en la 
ciencia y la técnica).
•	 Sistema	 de	 numeración	 (en	
matemática).
•	 Sistema	 lingüístico	 (fonológi-
co, gramatical y léxico).
1.1.1.2 Sistema material, con 
siete ejemplos:
Definición: conjunto de cosas 
ordenadamente relacionadas en-
tre sí que contribuyen a un deter-
minado objeto. Ejemplos:
 - Sistema periódico (de elemen-
tos químicos).
 - Sistema nervioso (de la anato-
mía).
 - Sistema métrico decimal (de pe-
sas y medidas de la metrología).
 - Sistema planetario (de la astro-
nomía).
 - Sistema solar (de la astronomía).
 - Sistema cristalográfico (de la 
física y de la mineralogía).
 - SPCR -sistema de protección 
contra rayos- (de la ingeniería 
eléctrica y electrónica).
1.1.2 Modelo [4]
Definición: esquema teórico 
(generalmente de forma matemáti-
ca) de un sistema o de una realidad 
compleja (por ejemplo, la evolución 
económica de un país) que se ela-
bora para facilitar su comprensión 
y el estudio de su comportamiento
1.1.3 Método [3]:
1.1.3.1 Definición: método es 
una palabra compuesta por otras 
dos del griego: meta, que signifi-
ca término, fin, extremo, objeto 
final, y odos, que significa vía o 
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015 87 
camino. Así, fácilmente se entien-
de que método debe significar la 
vía o camino que conduce a un 
fin determinado, o por extensión, 
el modo o medio de realizar un 
propósito.
1.1.3.2 Comentario: esta defi-
nición presenta un problema de 
lógica: determinar los medios se-
gún el conocimiento que se tenga 
del fin. Para adoptar un camino es 
indispensable concebir el punto 
final al cual se dirige.
1.1.3.3 Reseña histórica: en 
el Anexo B damos una reseña del 
método científico que se inicia 
con Galileo y se perfecciona con 
Newton.
1.1.4 Procedimiento [4]
Definición: es un método de 
ejecutar algunas cosas conforme 
a una práctica o conveniencia. 
(Nota: sinónimos de método; 
modo, forma, manera, sistema, re-
gla, plan.) 
Hemos tomado las defini-
ciones del Diccionario de la Real 
H < 60 m
H ≤ 60 m
R
R
R
R
R
R
0,8 H
H > 60 m
H > 60 m
Sistema de captación 
Radio de la esfera rodante
Figura 1
Diseño de un sistema de captación de rayos de acuerdo con el método 
de la esfera rodante según la altura de la estructura sobre el suelo.
Nota: El radio de la esfera rodante debe estar de acuerdo con la clase 
del SPCR elegida (ver la tabla en el anexo A).
88 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
Nota técnica
Academia Española [4] y del autor 
Rodolfo Rivarola [3], con comen-
tarios, notas y ejemplos de aplica-
ción donde corresponda.
2. Aplicación del método de 
la esfera rodante según IEC 
62305-3 [1]
El método de la esfera rodante 
se debe emplear para identificar 
el espacio protegido o partes ex-
puestas y zonas de una estructura 
cuando se excluye el empleo del 
método del ángulo de protección 
según la tabla A1, reproducida en 
el anexo A.
Aplicando este método, el po-
sicionamiento de un sistema de 
captación es adecuado si ningún 
punto del volumen a proteger 
está en contacto con una esfera 
de radio rodando sobre el suelo, 
alrededor y en la parte superior de 
la estructura en todas las direccio-
nes posibles. Por lo tanto, la esfe-
ra solo debe tocar la tierra y/o el 
sistema de captación, tal como se 
ilustra en la figura 5 [2].
El radio R de la esfera rodante 
depende de la clase del SPCR (ver 
la tabla A1). El radio de la esfera 
rodante está correlacionado con 
el valor I de cresta (o pico) de la 
corriente del rayo que impacta en 
la estructura: R = 10 I0,65, donde I se 
expresa en kAc (kA de cresta).
La figura 2 muestra la aplica-
ción del método de la esfera ro-
dante en diferentes estructuras. 
La esfera de radio rueda alrededor 
y sobre la estructura hasta que 
encuentra el plano de tierra o un 
objeto en contacto con el plano 
de tierra, que es capaz de actuar 
como conductor del rayo. Un im-
pacto se podría producir donde 
la esfera toque a la estructura, en-
tonces en estos puntos se requiere 
colocar sistemas de captación (o 
bien tolerar a los rayos). 
Cuando se aplica el método de 
la esfera rodante sobre los planos 
de la estructura, se deben consi-
derar todas las direcciones para 
asegurar que en una zona no pro-
tegida no haya ninguna saliente 
(un punto que se podría pasar por 
alto si solo se consideran las vistas 
frontales o laterales de los planos).
La zona protegida contra los 
rayos por un captador de SPCR es 
el volumen no penetrado por la 
Figura 2
Diseño de una red de dispositivos de captación de un SPCR en una red con 
forma compleja.
Referencias:
1. Las zonas sombreadas están expuestas a los impactos de los rayos y nece-
sitan protección según la tabla A1.
2. Mástil de la estructura.
R. Radio de la esfera rodante según la tabla 2.
Nota: Se requiere protección contra las descargas de rayos laterales de 
acuerdo con el apartado 5.2.3 y el capítulo A.2 de [1].
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015 89 
esfera rodante cuando ella está en 
contacto con el captador y aplica-
da a la estructura.
La figura 3 muestra la protec-
ción dada por los dispositivos de 
captación de un SPCR según el 
método de la malla, el método de 
la esfera rodante y el método del 
ángulo con una disposición gene-
ral de los elementos de captación.
3. Procedimiento para la colo-
cación del sistema de capta-
ción de rayos en una estruc-
tura mediante el método de la 
esfera rodante
Aplicando este método, la co-
locación del sistema de captación 
es adecuada si, en función de la 
clase del SPCR, ningún punto de 
la estructura protegida está en 
contacto con una esfera de radio, 
que rueda alrededor y en la parte 
superior de la estructura en todas 
las direcciones posibles. De esta 
manera, la esfera solamente toca 
el sistema de captación (ver la fi-
gura 1, izquierda y derecha).
En todas las estructuras cuya 
altura sea mayor que el radio de la 
esfera rodante, se pueden produ-
cir descargas laterales. Cada pun-
to lateral de la estructura tocado 
por la esfera rodante es un posible 
punto de impacto. Sin embargo, 
las probabilidades de descargas 
laterales de rayos a tierra son ge-
neralmente despreciables en es-
tructuras con alturas inferiores a 
60 metros.
En estructuras más altas, la ma-
yor parte de las descargas alcan-
zará la parte superior, los bordes 
horizontales y las esquinas de la 
estructura. Solamente un peque-
ño porcentaje de las descargas se 
produce lateralmente.
Además, los datos de observa-
ción muestran que la probabilidad 
de descargas laterales decrece rá-
pidamente con la altura media 
desde el suelo. Por tanto, se debe 
considerar instalar sistemas de 
captación laterales en la parte su-
perior de las estructuras (normal-
mente, el 20% superior de la altu-
ra de la estructura). En este caso, 
el método de la esfera rodante se 
Figura 3
Diseño de un sistema de captación de un SPCR de acuerdo con el método 
del ángulo de protección,con el método de la malla y disposición general de 
los dispositivos de captación [1].
Nota: El método de la esfera rodante se verifica para el radio R > h.
Referencias:
1. Conductor horizontal de captación.
2. Punta de captación.
3. Tamaño de la malla.
4. Conductor de bajada.
5. Sistema de puesta a tierra con anillo conductor exterior.
h. Altura del terminal de captación sobre el plano de referencia (punta 2).
α. Ángulo de protección de la punta 2.
90 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
Nota técnica
debe emplear solamente para po-
sicionar el sistema de captación 
en la parte superior de la estructu-
ra (figura 1, derecha).
4. Distancia de penetración de 
la esfera rodante [1]
En el caso de un sistema de 
captación formado por dos con-
ductores horizontales colocados 
por encima del plano horizontal 
de referencia, como se indica en 
la figura 4, la distancia de pene-
tración p de la esfera rodante, en 
el espacio entre dos conductores 
y por debajo del nivel de los con-
ductores, puede calcularse con la 
ecuación 1 siguiente:
(1) p = R - √[R2 - (d/2)2]
La distancia de penetración p 
debe ser menor que la menor de 
las alturas ht de los objetos a pro-
teger (el motor en la figura 4).
El ejemplo de la figura 4 también 
es válido para tres o cuatro puntas 
captadoras (por ejemplo, cuatro 
puntas de la misma altura h coloca-
das en las esquinas de un cuadrado; 
en este caso, d, en la figura 4 corres-
ponde a la diagonal del cuadrado 
formado por cuatro puntas). 
Posiciones críticas de la esfe-
ra rodante [2]
Cuando la esfera rodante 
"toca", es decir, hace contacto 
geométrico, al sistema de capto-
res y/o la tierra (plano de tierra), 
pueden ocurrir las cinco posicio-
nes críticas siguientes:
a) La esfera rueda sobre la tie-
rra cuando se mueve a lo largo de 
los conductores del sistema de 
captores (figura 6 a).
b) La esfera rueda sobre la tierra 
Figura 4
Espacio protegido por un sistema de captación formado por dos cables 
horizontales paralelos o por dos puntas (R > ht).
Referencias:
1. Cables horizontales.
2. Plano de referencia.
3. Espacio protegido por un sistema de captación formado por dos cables 
horizontales paralelos o por dos o más puntas franklin.
ht. Altura física de las puntas de captación sobre el plano de referencia.
p. Distancia de penetración de la esfera rodante.
h. Altura del sistema de captación según la tabla 2.
R. Radio de la esfera rodante
d. Distancia de separación entre los dos cables horizontales (o las dos pun-
tas de captación).
Nota: La distancia de penetración p de la esfera rodante debe ser menor que 
la menor de las alturas ht de los objetos a proteger, con el fin de proteger los 
objetos en el espacio entre ambos captadores (cables o puntas).
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015 91 
4
2
1
1
3
4
6A 6B
Figura 5
Contactos geométricos de la esfera rodante con la estructura a proteger con-
tra los rayos [2]. a) Contacto en un punto. b) Contacto a lo largo de una línea.
Referencias:
1. Esfera rodante.
2. Sistema captador de rayos del SPCR.
3. Contacto en un punto.
4. Contacto en una línea.
5. Dirección de rotación de la esfera (rodadura).
y rota alrededor de la punta de una 
punta captora vertical o la esquina 
(vértice) de un conductor captor 
horizontal (fugura 6 a y b).
c) La esfera hace contacto 
(toca) simultáneamente con la 
tierra y con un SPCR en dos o más 
puntos (figura 6 c).
d) La esfera hace contacto si-
multáneamente en tres o más 
puntos de un SPCR cuando ella no 
puede rotar más sin moverse ha-
cia arriba (figura 6 d).
e) La esfera rota a lo largo de 
dos conductores horizontales 
paralelos mientras está continua-
mente en contacto con ellos (fi-
gura 6 e)
1
2
3
5
2
4
a) b)
Figura 6
a) Rodadura de la esfera a lo largo de conductores captadores horizontales y alrededor 
de esquinas. b) Rodadura de la esfera alrededor de un captador vertical de rayos (pun-
ta). c) La esfera hace contacto con la tierra y con dos captores verticales (a, vista frontal y 
b, vista lateral). d) La esfera hace contacto con tres captadores verticales (a, visa lateral y 
b, vista frontal). e) Rodadura de la esfera a lo largo de dos conductores paralelos.
Referencias:
1. Esfera rodante.
2. Conductor horizontal captador de rayos.
3. Captador vertical de rayos.
4. Camino o trayecto de rodadura.
5. Dirección de rodadura.
1
3
a)
3
b)
3
1
3
a)
3 33
b)
3
1
2
5
6C
6D
6E
92 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
Nota técnica
Bibliografía consultada
[1] IRAM y AEA (documento en estudio). 
“Norma IRAM 2184-3 / Reglamentación 
AEA 92305-3 (IEC 62305-3:2010). Protec-
ción contra los rayos. Parte 3: Daños físicos 
a estructuras y riesgo humano.” Buenos Ai-
res, Argentina, 2012.
[2] Comisión Electrotécnica Internacional 
(IEC). Comité técnico 81: Protección de ilu-
minación. IEC 62305-3 Protection against 
lightning. Part 3: Physical damage to struc-
tures and life hazard. Document 81/455/DC 
(2013-11-08) – Draft for comments (until 
2014-03-14) for IEC members.
[3] Rivarola, Rodolfo. Filosofía dispersa y 
amable (para educadores y educandos. Bue-
nos Aires, Roldán, 1934.
[4] Real Academia Española, Diccionario de 
la lengua española, Madrid, Ediciones XXI, 
1992.
[5] Corcho Orrit, Roger.: "Galileo: El método 
científico, la naturaleza se escribe con fórmulas". 
Buenos Aires, RBA Coleccionables SA, 2014.
[6] Durán Guardeño, Antonio J. :"Newton: 
La Ley de Gravedad, la fuerza más atractiva 
del Universo. Buenos Aires, RBA Colecciona-
bles, 2014.
Anexo A
Tabla A1. Posicionamiento de captadores de rayos según los niveles de protección contra rayos NPR (definidos en las nor-
mas IEC 62305 e IRAM 2184/AEA 92305), y sus tres métodos de protección normalizados.
Fuente: Cooray, Vernon. Lightning protection. (Libro editado por el autor en el Reino Unido.) Versión argentina de la tabla 4.1, a cargo de 
Juan Carlos Arcioni.
Anexo B
Reseña del método científi-
co desde Galileo, y pasando por 
Newton
B.1 El método científico [5]
Desde Galileo (1564 – 1642) en 
adelante, hasta la actualidad, el 
método de la ciencia consiste en 
lo siguiente:
•	 Proponer	 hipótesis,	 formula-
das matemáticamente, que des-
criban un aspecto de la realidad.
•	 Deducir	consecuencias	empíricas	
y comprobables experimentalmente.
•	 Aislar	 (separar)	 los	 factores	 que	
intervengan en la realidad para crear 
una situación artificial, y así com-
probar dichas hipótesis mediante 
experimentos, haciendo uso de ins-
trumentos de medición de precisión 
y exactitud que sean capaces de de-
terminar si concuerdan la predicción 
matemática y el experimento.
El método científico se conoce 
como “Método hipotético-deducti-
vo”, y Galileo fue quien contribuyó 
a su desarrollo en todas sus fases.
B.2 El método newtoniano [6]: 
el método científico moderno
Según Newton (1642-1727), la 
esencia del método científico mo-
derno es la elaboración de modelos 
matemáticos simples que se com-
paran con los fenómenos naturales. 
De estas comparaciones surgen 
nuevas versiones, más complicadas, 
de los modelos previos.
Con Newton, la matemática se 
convirtió verdaderamente en la 
esencia de la teoría física.
Nivel de 
protección 
NPR (clase 
del SPCR)
Mínima co-
rriente pre-
sunta del rayo 
de retorno 
(kAc de cresta)
Eficiencia 
de la pro-
tección
Método 
de la esfe-
ra rodante: 
radio de la 
esfera, R
Método de ángulo de protección para las alturas de 
los captores indicados. Ángulo α
Método de las 
mallas: distan-
cia máxima 
entre conduc-
tores paralelos
20 m 30 m 45 m 60 m
I 3 kAc 99% 20 m 25º * * * 5 m
II 8 kAc 97% 30 m 35º 25º * * 10 m
III 10 kAc 91% 45 m 45º 35º 25º * 15 m
IV 16 kAc 84% 60 m 55º 45º 35º 25º 20 m